微機課件第二章ch

1、第二章微處理器及其架構教師：余有靈 博士要點u第一節(jié) 微處理器內部架構u第二節(jié) 實模式存儲器尋址u第三節(jié) 微型計算機結構2022-3-11第2頁2022-3-11第3頁中央處理單元u中央處理單元(CPU) 是PC系統(tǒng)的基本部件u(無CPU 無 計算機)u基本上，一片復雜的微處理器的主要任務是按照存儲在外部存儲器（RAM）中的指令來處理同樣存儲在RAM中的數(shù)據(jù). uCPU內部一般也包含一些專門的快速存儲單元，稱為寄存器2022-3-11第4頁CPU部件u基本部件基本部件u寄存器及標志位寄存器及標志位u算術邏輯單元算術邏輯單元u移位器移位器/ /循環(huán)移位器循環(huán)移位器u地址譯碼模塊地址譯碼模塊u高級

2、部件高級部件u數(shù)學協(xié)處理器數(shù)學協(xié)處理器u數(shù)據(jù)及程序管道數(shù)據(jù)及程序管道u緩存緩存u微指令解碼器微指令解碼器. .u多媒體擴展處理器多媒體擴展處理器 (MMX) (MMX)u等等等等. .2022-3-11第5頁寄存器u正如 “擦寫板”,在CPU內部,程序員/用戶使用寄存器來執(zhí)行計算或完成其他任務.u所有8086系列的CPU有14個16位的常用寄存器.u從80386開始，Intel給CPU添加了一組新的32位寄存器和指令.2022-3-11第6頁實模式存儲器尋址u任何80 x86系列的CPU在實模式工作模式下與8086兼容u在實模式中，用戶只允許訪問14個基本的16位寄存器，1Mb的RAM以及64

3、Kb的I/O空間 2022-3-11第7頁1MB RAMu實模式中，8086系列CPU總共能夠訪問1MB的RAMu從某種概念上而言。這1MB的RAM可以認為是一個從00000H到FFFFFH的連續(xù)塊.u實際上，這個連續(xù)塊被分為多個64KB的子塊，例如從0000H到FFFFH的塊.u這主要是為了與Intel早期的8085處理器保持兼容.u8085只有可以訪問64KB內存的16條地址線(216 = 64K)2022-3-11第8頁通用寄存器2022-3-11第9頁通用寄存器u通用寄存器 u用于算術運算、臨時數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳送等等uEAX: 累加器寄存器u可作為EAX獨立使用，也可拆為AX、AL或A

4、H使用u最常用的寄存器u在字符串指令中(STOSB、STOSW等)用來保持傳送的數(shù)據(jù)u在I/O指令中(IN, OUT) 用來保持傳送的數(shù)據(jù)u在乘法(MUL) 和除法(DIV)中保存操作前的數(shù)據(jù)以及操作后的結果u在字符串指令和BIOS中當以文本方式向屏幕寫操作時用于保持ASCII碼以及屬性值2022-3-11第10頁通用寄存器u通用寄存器 uEBX: 基址寄存器u在一些尋址模式指令中保存一塊需要操作的數(shù)據(jù)塊的基址.u也可以用作通用寄存器uECX: 計數(shù)寄存器u在REP和LOOP這類指令中用作計數(shù)器，例如：如果CX=10那么LOOP指令循環(huán)10次減少CX直到CX減為零，停止循環(huán)u也在移位(SHR,

5、 SHL)和循環(huán)移位(ROR, ROL) 指令中指示移位和循環(huán)移位的位數(shù)2022-3-11第11頁通用寄存器u通用寄存器 uEDX: 數(shù)據(jù)寄存器u在I/O指令 (IN, OUT) 中保存正被訪問的端口的地址u在乘法(MUL)和除法(DIV)指令中保存32位數(shù)據(jù)運算結果-u也在BIOS中用于設置光標位置2022-3-11第12頁通用寄存器uESP: 堆棧指針寄存器u由堆棧使用，調用及返回指令.uEBP: 基指針寄存器u為存儲器數(shù)據(jù)傳送保存基指針.uEDI: 目的變址寄存器u為串指令保存基目的指針.uESI: 源變址寄存器u為串指令保存基源指針.2022-3-11第13頁通用寄存器uEIP: 指令

6、指針寄存器u指向RAM中將要被執(zhí)行的下一條指令u如果0100處有一個2字節(jié)的指令正被執(zhí)行，那么EIP/IP = 0102uIP范圍為0000(010)至FFFF(6553510)u這意味著只用IP寄存器的話，CPU至多能訪問64K字節(jié)的指令u總是和CS寄存器結合使用來產生一個物理地址2022-3-11第14頁通用寄存器uEIP: 指令指針寄存器u特定的程序指令可以修改EIP/IP以使不同區(qū)域的代碼得以執(zhí)行uJump指令通過修改EIP/IP指向一條新的指令來跳轉至下一條指令uCall指令也通過修改EIP/IP來指示開始執(zhí)行一個新的區(qū)域，但當前IP的值得以保存，允許仍舊返回當前下一條指令u中斷會修

7、改這個寄存器，把它設置為指向相關ISR代碼的區(qū)域2022-3-11第15頁專用寄存器uEFLAGS:標志位寄存器u存儲位處理器中不同條件的狀態(tài).u最右邊的五個標志位以及溢出位在許多算術和邏輯運算指令執(zhí)行之后發(fā)生改變. 數(shù)據(jù)傳送和程序控制指令不會修改這些標志位.2022-3-11第16頁標志位uC (進位):u保存加法以后的進位和減法以后的借位.u也可以指示錯誤條件.uP (奇偶校驗):u奇數(shù)位為邏輯0，偶數(shù)位為邏輯1.u80 x86過時的特征.uA (輔助進位):u在BCD加法或減法之后由DAA和DAS使用的非常特殊的標志位.2022-3-11第17頁標志位uZ (零標志位):u如果算術或邏輯

8、運算結果是0，該標志位為1.uS (符號):u如果算術或邏輯指令的結果的符號是負，該標志位為1.uT (陷阱):u陷阱使能. 微處理器根據(jù)調試寄存器和控制寄存器的指示中斷程序流.2022-3-11第18頁標志位uI (中斷):u控制INTR (中斷請求)引腳的操作. 如果為1，使能中斷. 通過STI和CLI指令設置.uD (方向):u在串指令操作期間，為DI和/或SI寄存器設置遞增方式或遞減方式. D=1，寄存器內容自動遞減. 由STD和CLD指令設置.uO (溢出):u為加法或減法指令設置.2022-3-11第19頁標志位u80286及以上:uIOPL (I/O優(yōu)先級):u保存所運行代碼的特

9、權等級（在執(zhí)行任何I/O相關的指令時）. 00級是最高特權級.uNT (任務嵌套):u在保護模式下，當一個系統(tǒng)任務通過一個CALL指令調用另外一個任務時，該位置1.2022-3-11第20頁標志位u80386及以上:uRF (恢復):u用于調試.uVM (虛擬模式):u為0時，CPU可以在保護模式、虛擬8086模式或實模式下操作.u為1時，CPU被轉化為一個高速的8086.2022-3-11第21頁標志位u80486SX 及以上:uAC (對齊檢查):u80486SX專用指令.uPentium 及以上:uVIF (虛擬中斷):u復制中斷標志位.uVIP (虛擬中斷掛起):u提供虛擬模式中斷的信

10、息.uID (標識):u支持CPUID指令，該指令提供微處理器的版本號和制造商的信息.2022-3-11第22頁段寄存器uCS (代碼段):u實模式中，定義一個64KB存儲器段的起始地址.u保護模式下，選擇一個描述符.u8086-80286的代碼段被限制在64KB，而386及以上的限制在4GB.uDS (數(shù)據(jù)段):u與代碼段類似，只不過此段保存數(shù)據(jù).uES (附加段):u為某些串指令存放目的數(shù)據(jù).uSS (堆棧段):u和代碼段類似，只不過此段保存堆棧數(shù)據(jù).uESP和EBP保存這個段的偏移量.uFS and GS: 80386及以上.u允許定義兩個附加的段寄存器.2022-3-11第23頁202

11、2-3-11第24頁實模式存儲器尋址u8086的IP只有16位長，在實模式下u可尋址RAM空間是220 = 1M = 216+4uRAM中實際物理地址計算方式為 (SEGMENT * 16) + OFFSET，即段加偏移： u例：CS=07A0H，IP=0100H，則那么物理地址為 07A00H H=07B00Hu注意u不同的段指針組合能指向相同的物理地址u例如：07B00H=07A0H:0100H或07B0H:0000H2022-3-11第25頁實模式存儲器尋址u8086和8088僅有的模式.u只允許處理器尋址存儲器開始的1MB.uDOS需要實模式.u段和偏移:u有效地址=段地址+偏移量.2

12、022-3-11第26頁實模式存儲器尋址u段和偏移:u句法通常為：段地址:偏移，例如前面例子中的1000H:F000H指示 1F000H.u默認段和偏移寄存器u段寄存器和偏移的隱含組合已為內存參考定義好.u例如，代碼段(CS)總是和指令指針一起使用(實模式下是IP，保護模式下是EIP).uCS:EIPuSS:ESP, SS:EBPuDS:EAX, DS:EBX, DS:ECX, DS:EDX, DS:EDI, DS:ESI, DS:8位數(shù), DS:32位數(shù)uES:EDIuFS和GS沒有默認值.u80386在實模式下工作時，將一個大于FFFFH的偏移放在32位的寄存器中是非法的.2022-3-1

13、1第27頁計算有效地址uEA = 段地址x10H再加上偏移u(a) 10023H = 10000H + 0023Hu(b) AB034H = AAF00H + 0134Hu(c) 21FF0H = 12000H + FFF0H u 上例(a)中段寄存器中包含1000H,例(b)中段寄存器包含AAF0H，例(c)中段寄存器中包含1200H. 實模式存儲器尋址u段和偏移:u段可互相重疊，如右圖的CS和DS.u段尋址允許數(shù)據(jù)和代碼的重定位.u操作系統(tǒng)可以在運行時分配段地址2022-3-11第29頁2022-3-11第30頁默認狀態(tài)u默認情況下u代碼段中存放的是程序的16位地址，堆棧段存放的是堆棧數(shù)據(jù)

14、，而程序中其他大部分在數(shù)據(jù)段中.u16位尋址使用BX、SI、DI、BP中的偏移地址或使用一個偏移數(shù)值作為偏移地址u代碼段中的程序由IP/EIP尋址u堆棧段中的堆棧數(shù)據(jù)由SP/ESP尋址重定位u段和偏移尋址允許代碼和數(shù)據(jù)簡單而有效的重定位.u重定位代碼段或數(shù)據(jù)段只需要修改段的值. 例如一條指令出現(xiàn)在偏移地址0002處，改變段地址并不影響，因為指令的有效地址會隨著它的變化而變化.2022-3-11第33頁架構u內存與IO系統(tǒng)2022-3-11第34頁微處理器內存I/O系統(tǒng)BUSBUS動態(tài) RAM (DRAM)靜態(tài) RAM (SRAM)高速緩存只讀存儲器 (ROM)閃速存儲器EEPROMSDRAMR

15、AMBUSDDR RAM8086808880186802868038680486PentiumPentium ProPentium IIPentium IIIPentium 4打印機串行通信設備軟盤驅動器硬盤驅動器鼠標CD-ROM驅動器繪圖儀鍵盤顯示器磁帶備份掃描儀DVDPC的存儲器映像2022-3-11第35頁擴展內存擴展內存TPA640KB系統(tǒng)區(qū)系統(tǒng)區(qū)384KB80286或80386SX中是15MB80386SL/SLC中是31MB80386EX中是63MB80386DX,、80486 以及Pentium中是4095MBPentium Pro、Pentium II、 Pentium III

16、和Pentium4中是4GB1MB 實(常規(guī))內存總線架構2022-3-11第36頁總線架構u地址總線地址總線: :u如果尋址如果尋址I/OI/O，地址總線包含，地址總線包含0000H0000H至至FFFFHFFFFH的的I/OI/O地址地址. .u如果尋址存儲器，總線的寬度依賴于微處理器的架構：如果尋址存儲器，總線的寬度依賴于微處理器的架構：u2020位位 (8086/8088) (8086/8088)u2424位位(80286/80386SX)(80286/80386SX)u2525位位 (80386SL/SLC/EX) (80386SL/SLC/EX)u3232位位 (80386DX/8

17、0486/Pentium) (80386DX/80486/Pentium)u3636位位(Pentium Pro/II/III)(Pentium Pro/II/III)u數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線: :u8 8位位 (8088) (8088)u1616位位 (8086/80286/80386SX/SL/SLC/EX) (8086/80286/80386SX/SL/SLC/EX)u3232位位(80386DX/80486/Pentium)(80386DX/80486/Pentium)u6464位位(Pentium/Pro/II/III)(Pentium/Pro/II/III)u控制總線控制總線: :u大多數(shù)計算機系統(tǒng)至少有大多數(shù)計算機系統(tǒng)至少有4 4條控制總線連接條控制總線連接 ( (低電平有效低電平有效).).uMRDC (MRDC (存儲器讀控制存儲器讀控制), MW